KR102241512B1 - Ｍｍｃ 컨버터의 서브모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MMC 컨버터용 서브모듈을 제어하는 서브모듈 제어기에 전원을 안정적으로 공급하도록 구성된 MMC 컨버터의 서브모듈에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터용 서브모듈은, 내부에 전기에너지를 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부에 브릿지 형태로 병렬연결된 복수의 스위칭소자; 상기 에너지저장부에 병렬로 연결된 직렬연결의 복수의 저항; 상기 복수의 저항 중 일부 저항에 서로 병렬로 연결된 복수의 DC-DC 컨버터; 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 출력되는 전압과 외부로부터 입력되는 복수의 전압 중 하나를 선택하여 출력하도록 동작하는 전원절체스위칭부; 및 상기 전원절체스위칭부에서 출력된 전압으로 동작하여 상기 복수의 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 서브모듈 제어기를 포함한다.

Description

ＭＭＣ 컨버터의 서브모듈{SUB-MODULE FOR MMC CONVERTER}
본 발명은 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC)의 서브모듈에 관한 것으로서, 특히 MMC 컨버터용 서브모듈을 제어하는 서브모듈 제어기에 전원을 안정적으로 공급하도록 구성된 MMC 컨버터의 서브모듈에 관한 것이다.
공지된 바와 같이 초고압 직류송전(HVDC) 시스템에 전력송전 및 무효전력 보상을 위해 MMC(Modular Multilevel Converter) 컨버터가 연계될 수 있다. MMC 컨버터는 직렬로 연결된 복수의 서브모듈(submodule)을 포함한다.
MMC 컨버터에서 서브모듈은 매우 중요한 요소로서 서브모듈의 내부에 설치된 서브모듈 제어기에 의해 제어되는데 일반적으로 서브모듈의 고전압을 이용하여 서브모듈 제어기의 전원으로 사용한다.
이때, 서브모듈의 고전압을 서브모듈 제어기의 전원으로 이용하기 위해서는 서브모듈 제어기에 필요한 저전압으로 변환하는 전원장치가 필요하다.
도 1에는 종래의 MMC 컨버터의 서브모듈의 구성도이다. 서브모듈(10)은 복수의 스위치(11,12)와 커패시터(13)를 포함하여 브릿지회로를 포함한다. 도 1에는 하프브릿지(half-bridge)회로가 도시되나 풀브릿지(full-bridge)회로도 적용이 가능하다.
서브모듈(10)은 그 내부에 설치된 서브모듈 제어기(16)에 의해 제어된다. 서브모듈 제어기(16)의 전원은 커패시터(13)에 충전된 고전압을 이용한다. 즉, 서브모듈(10)에서는 단자(X1,X2)를 통해 입력되는 고전압을 커패시터(12)에 충전하고 그 충전전압을 복수의 저항(R1,R2)로 분압하여 분압된 전압을 DC-DC 컨버터(15)에서 서브모듈 제어기(16)에 필요한 전압으로 변환하여 서브모듈 제어기(16)로 공급하도록 한다. 이로써 서브모듈 제어기(16)는 이 전압을 이용하여 동작하게 되고 스위치(11,12)를 스위칭한다.
이와 같이 종래의 MMC 컨버터의 서브모듈(10)은 서브모듈 제어기(16)로 전원을 공급하기 위하여 서브모듈(10)의 내부에 저장된 수~수십㎸의 고전압을 서브모듈 제어기(16)에 필요한 수~수십V의 저전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(15)가 반드시 필요하다.
그러나, 수~수십㎸의 고전압에 과전압이 발생하는 경우 DC-DC 컨버터(15)의 입력범위를 초과하여 고장이 발생하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 DC-DC 컨버터(15)의 입력전압 사양을 높여야 하는데, 과전압 발생 범위를 고려하기 위해서는 필요 이상의 고사양의 DC-DC 컨버터(15)를 적용함으로써 비용이 상승하는 문제점이 있다.
또한, 만약 DC-DC 컨버터에 고장이 발생하는 경우 서브모듈 제어기(16)에 필요한 전압을 공급할 수 없으므로 서브모듈(10)이 제대로 동작하지 못하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2016-0080018호 한국공개특허 제10-2016-0080019호
이에, 본 발명은 MMC 컨버터에 적용된 서브모듈의 내부에 설치된 서브모듈 제어기에 필요한 전압을 안정적으로 공급할 수 있도록 구성된 MMC 컨버터의 서브모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 MMC 컨버터에 적용된 서브모듈의 제어기로 전압을 공급함에 있어서 DC-DC 컨버터에 고장이 발생하더라도 서브모듈 제어기에 전압이 공급되도록 하기 위한 MMC 컨버터의 서브모듈을 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
또한, 본 발명은 MMC 컨버터 시스템에 전압이 인가되지 않아도 서브모듈의 서브모듈 제어기에 전압이 공급될 수 있도록 구성된 MMC 컨버터의 서브모듈을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈은, 내부에 전기에너지를 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부에 브릿지 형태로 병렬연결된 복수의 스위칭소자; 상기 에너지저장부에 병렬로 연결된 직렬연결의 복수의 저항; 상기 복수의 저항 중 일부 저항에 서로 병렬로 연결된 복수의 DC-DC 컨버터; 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 출력되는 전압과 외부로부터 입력되는 복수의 전압 중 하나를 선택하여 출력하도록 동작하는 전원절체스위칭부; 및 상기 전원절체스위칭부에서 출력된 전압으로 동작하여 상기 복수의 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 서브모듈 제어기를 포함한다.
본 발명에서, 상기 전원절체스위칭부는 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 출력되는 전압과 외부로부터 입력되는 복수의 전압 중 기설정된 우선순위에 따라 하나를 선택하여 상기 서브모듈 제어기로 출력한다.
본 발명에서, 상기 서브모듈 제어기에 하나 이상의 충전셀이 연결되고 상기 충전셀과 상기 서브모듈 제어기를 전기적으로 연결하기 위한 충전셀스위치가 연결되며, 상기 서브모듈 제어기는 상기 전원절체스위칭부로부터 공급되는 전압을 검출하는 전압검출부를 포함하고 상기 서브모듈 제어기는 상기 전압검출부에서 검출된 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우 상기 충전셀스위치를 턴온하여 상기 충전셀에 충전된 전압이 상기 서브모듈 제어기로 공급된다.
본 발명에서, 상기 복수의 DC-DC 컨버터 중 하나의 DC-DC 컨버터가 선택되고 상기 선택된 DC-DC 컨버터로부터 전압이 상기 전원절체스위칭부로 출력된다.
본 발명에서, 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 전압을 체크하여 상기 서브모듈 제어기에 필요한 전압에 가장 가까운 전압을 갖는 하나의 DC-DC 컨버터가 선택되고 상기 선택된 DC-DC 컨버터로부터 전압이 상기 전원절체스위칭부로 출력된다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터의 서브모듈에 고사양의 DC-DC 컨버터를 구비하지 않더라도 서브모듈 제어기로 안정적인 전압을 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터의 서브모듈에서 DC-DC 컨버터에 고장이 발생하더라도 서브모듈 제어기의 동작에는 전혀 문제가 없다.
본 발명에 의하면 MMC 컨버터 시스템에 전압이 인가되지 않더라도 서브모듈 제어기를 동작시킬 수 있어 서브모듈을 동작시키지 않은 상태에서도 서브모듈의 이상상태를 사전에 모니터링하여 조치할 수 있다.
도 1은 종래의 MMC 컨버터의 서브모듈의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈의 구성도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 서브모듈(100)은 복수의 스위칭소자(110,120), 에너지저장부(130), 복수의 저항(140), 복수의 DC-DC 컨버터(150), 전원절체스위칭부(160) 및 서브모듈 제어기(170)를 포함하여 구성된다.
스위칭소자(110,120)와 에너지저장부(130)는 브릿지 회로(bridge circuit)를 구성한다. 이러한 브릿지 회로는 예컨대 하프브릿지(half-bridge) 회로 또는 풀브릿지(full-bridge) 회로로 구성될 수 있다.
복수의 스위칭소자(110,120)는 단자(X1,X2)를 통해 서브모듈(100)에 입력되는 입력전압을 스위칭을 통해 에너지저장부(130)에 전압이 충전되도록 한다. 이러한 복수의 스위칭소자(110,120)는 일례로 전력용 반도체 스위치로 구성될 수 있으며 에너지저장부(130)는 전기에너지를 저장한다. 일례로 전하를 저장할 수 있다. 스위칭소자(110,120)는 각각 서브모듈 제어기(170)에 의해 그 스위칭 동작이 제어된다. 도면에는 일례로 하프브릿지 형태를 도시하고 있으나 풀브릿지 형태도 가능하다.
스위칭소자(110,120)은 예컨대 IGBT, FET, 트랜지스터 등을 포함할 수 있고 에너지저장부(130)는 예컨대 커패시터가 될 수 있다.
복수의 저항(140)은 서로 직렬로 연결되고, 이러한 저항(140)의 직렬 연결은 에너지저장부(130)에 병렬로 연결된다. 이로써 에너지저장부(130)에 저장된 전기에너지에 대응하는 전압이 복수의 저항(140)에 의해 분압된다.
복수의 저항(140) 중 일부 저항(R2)에 DC-DC 컨버터(150)가 병렬로 연결되어 저항(R2)의 양단에 걸리는 분압전압이 DC-DC 컨버터(150)에 입력된다. 이때, DC-DC 컨버터(150)는 복수 개가 서로 병렬로 연결된다. 각각의 DC-DC 컨버터(150)는 분압전압을 서브모듈 제어기(170)의 동작에 필요한 전압으로 변환하여 각각 출력한다.
이때, 본 발명의 다른 실시 예에서는 DC-DC 컨버터(150) 각각은 기설정된 컨트롤러(미도시)에 의해 그 전압의 출력이 제어될 수도 있다. 즉, 서로 병렬 연결된 각각의 DC-DC 컨버터(150)는 일부 저항(R2)의 양단에 걸리는 전압을 서브모듈 제어기(170)에 필요한 전압을 변환하여 전원절체스위칭부(160)로 출력하는데, 그 전압의 출력은 컨트롤러에 의해 제어되는 것이다. 컨트롤러는 복수의 DC-DC 컨버터 중 어느 컨버터의 전압을 전원절체스위칭부(160)로 출력할 것인지를 결정하는 것이다. 이를 위해 컨트롤러는 각각의 DC-DC 컨버터(150)의 출력전압을 체크하여 서브모듈 제어기(170)에서 필요한 전압에 가장 가까운 전압을 갖는 DC-DC 컨버터를 선택하여 그 컨버터의 전압을 전원절체스위칭부(160)로 출력되도록 제어할 수도 있다.
전원절체스위칭부(160)는 복수의 DC-DC 컨버터(150)로부터 각각 출력되는 전압을 선택적으로 스위칭하여 서브모듈 제어기(170)로 출력되도록 한다. 이로써 복수의 DC-DC 컨버터(150)로부터 출력되는 전압 중 어느 하나의 전압이 서브모듈 제어기(170)로 전달되는 것이다.
서브모듈 제어기(170)는 기본적으로 동작에 필요한 전압을 공급받아 복수의 스위칭소자(110,120)의 스위칭을 제어한다. 이를 위해 서브모듈 제어기(140)는 전원절체스위칭부(160)로부터 출력되는 전압을 공급받아 동작한다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 서브모듈(100)에서는 복수의 DC-DC 컨버터(150)로부터 출력되는 전압을 선택적으로 서브모듈 제어기(170)로 공급하기 때문에 복수의 DC-DC 컨버터(150) 중 어느 하나에 고장이 발생하더라도 서브모듈 제어기(17)로 전압을 계속 공급할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 서브모듈(100)에서는 전원절체스위칭부(160)는 외부로부터 복수의 다른 전원공급장치(180 또는 190)로부터 전압을 공급받아 스위칭을 통해 선택적으로 서브모듈 제어기(170)로 전달할 수도 있다. 이때, 외부의 복수의 다른 전원공급장치로는 예컨대 스위칭 트랜지스터 등을 이용하여 AC전압을 DC전압으로 변환하여 출력하는 통상적인 전원공급장치(SMPS: Switched Mode Power Supply)(180) 또는 광소자를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 출력하는 공지의 광학전원장치(Optic Power Supply)(190)를 이용할 수 있다. 물론 둘 다 동시에 이용할 수도 있다. 본 발명의 다른 실시 예에서는 상기한 공지의 전원공급장치(180) 및 광학전원장치(190)를 모두 이용하지만, 또 다른 실시 예에서는 둘 중 하나를 이용할 수도 있다.
이에, 본 발명의 다른 실시 예에서는 전원절체스위칭부(160)가 복수의 장치들, 즉 복수의 DC-DC 컨버터(150), 외부의 전원공급장치(180) 및/또는 외부의 광학전원장치(190)로부터 각각 출력되는 전압을 선택적으로 서브모듈 제어기(170)로 공급되도록 내부적으로 스위칭동작을 수행한다. 이로써, 서브모듈 제어기(170)는 복수의 장치(150,180,190)에서 출력되는 전압 중 하나를 공급받을 수 있게 되어 이들 복수의 장치 중 어느 하나의 장치에 고장이 발생하더라도 서브모듈 제어기(170)로 안정적인 전압공급이 가능하게 된다.
전원절체스위칭부(160)는 복수의 DC-DC 컨버터(150), 전원공급장치(180) 및/또는 광학전원장치(190)로부터 출력되는 각각의 전압을 기설정된 우선순위에 따라 서브모듈 제어기(170)로 전달한다. 예컨대, DC-DC 컨버터(150)로부터 전압이 수신되면 그 수신된 전압을 우선적으로 서브모듈 제어기(170)로 전달하도록 스위칭할 수 있다. 이때, 복수의 DC-DC 컨버터(170) 중에서도 어느 컨버터의 전압을 서브모듈 제어기(170)로 전달할지 그 우선순위를 설정할 수도 있다. 물론, 이들 복수의 장치(150,180,190)에 대한 우선순위를 변경될 수 있음은 당연한 것이다.
광학전원장치(190)는 일례로 광전력케이블(optical power cable)을 통해 전원절체스위칭부(160)로 전압을 공급할 수 있다. 이러한 광전력케이블은 공지의 광섬유(optical fiber)케이블을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 서브모듈(100)은 서브모듈 제어기(170)에 하나 또는 그 이상의 충전셀(200)이 연결되고 충전셀(200)과 서브모듈 제어기(170)는 충전셀스위치(201)로 연결된다. 서브모듈 제어기(170)의 내부에는 전압검출부(202)가 포함된다.
이러한 충전셀(200)은 서브모듈 제어기(170)에 인가되는 전압이 기설정된 기준전압보다 작은 경우 서브모듈 제어기(170)로 전압을 제공하기 위한 것이다.
구체적으로 설명하면, 서브모듈 제어기(170)는 복수의 장치들(150,180,190)로부터 공급되는 전압이 공급받아 동작한다. 서브모듈 제어기(140)가 동작하기 위해서는 공급된 전압이 최소한 서브모듈 제어기(140)의 동작에 필요한 전압이 되어야 한다. 하지만 어떤 원인에 의해 공급된 전압이 이러한 동작전압에 미치지 못하는 경우 서브모듈 제어기(140)는 동작할 수 없다. 이를 방지하기 위해 공급된 전압이 기설정된 동작전압보다 작은 경우 충전셀(200)의 전압이 추가로 공급되어 항상 서브모듈 제어기(170)에 필요한 동작전압이 될 수 있도록 하기 위한 것이다.
이와 같이 본 발명에서는 복수의 장치들(150,180,190)로부터 공급되는 전압이 서브모듈 제어기(170)의 동작전압에 미치지 못하더라도 충전셀(200)에 충전된 전압이 서브모듈 제어기(170)로 공급되도록 함으로써 서브모듈 제어기(170)가 동작에 필요한 일정전압을 유지할 수 있도록 한다.
전압검출부(202)는 전원절체스위칭부(160)로부터 서브모듈 제어기(170)로 공급되는 전압을 검출한다. 이에 서브모듈 제어기(170)에 공급되는 전압이 서브모듈 제어기(140)에 필요한 전압보다 작으면 충전셀(200)과 연결된 충전셀스위치(201)를 턴온시켜 충전셀(200)의 전압이 서브모듈 제어기(170)로 공급되도록 한다.
이때, 다른 실시 예에서는 충전셀스위치(201)를 항상 턴온 상태로 유지하도록 설정할 수도 있다. 즉, 이 경우에는 충전셀(200)에서 전압이 계속해서 서브모듈 제어기(140)로 공급된다. 바람직하게는 서브모듈 제어기(170)로 공급되는 전압이 동작전압보다 작은 경우에만 충전셀(200)의 전압이 서브모듈 제어기(170)로 공급되도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 MMC 컨버터의 서브모듈(100)은 내부의 전원절체스위칭부(160)에서 여러 장치들로부터 공급되는 전압을 선택적으로 서브모듈 제어기(170)로 전달함으로써 서브모듈 제어기(140)의 동작에 필요한 전압으로 이용한다. 이로써 어느 하나의 장치에 고장이 발생하더라도 서브모듈 제어기(170)로 전압을 안정적으로 공급할 수 있게 된다. 또한, MMC 컨버터 시스템의 가동 이전에 서브모듈(100)에 전압이 공급되지 않더라도 외부로부터 전압을 공급받게 되어 서브모듈(100)의 구동전에도 서브모듈(100)을 사전에 모니터링 할 수 있다.
또한, MMC 컨버터 시스템에 이상이 발생하여 서브모듈 제어기(170)로 동작전압보다 작은 전압이 인가되더라도 충전셀(200)을 이용하여 서브모듈 제어기(170)로 전압을 추가로 공급할 수 있도록 함으로써 안정적인 전압공급이 가능하다.
상술한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 서브모듈 110, 120 : 스위칭소자
130 : 에너지저장부 140 : 저항
150 : DC-DC 컨버터 160 : 전원절체스위칭부
170 : 서브모듈 제어기 180 : 전원공급장치(SMPS)
190 : 광학전원장치 200 : 충전셀
201 : 충전셀스위치 202 : 전압검출부

Claims (5)

  1. 내부에 전기에너지를 저장하는 에너지저장부;
    상기 에너지저장부에 브릿지 형태로 병렬연결된 복수의 스위칭소자;
    상기 에너지저장부에 병렬로 연결된 직렬연결의 복수의 저항;
    상기 복수의 저항 중 일부 저항에 서로 병렬로 연결되며 상기 일부 저항에 걸리는 분압전압을 변환하여 전압을 각각 출력하는 복수의 DC-DC 컨버터;
    상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 출력되는 전압과 외부로부터 입력되는 복수의 전압 중 하나를 선택하여 출력하도록 동작하는 전원절체스위칭부;
    상기 전원절체스위칭부에서 출력된 전압으로 동작하여 상기 복수의 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 서브모듈 제어기;
    상기 서브모듈 제어기에 연결된 하나 이상의 충전셀; 및
    상기 충전셀과 상기 서브모듈 제어기를 전기적으로 연결하기 위한 충전셀스위치;를 포함하고,
    상기 서브모듈 제어기는 상기 전원절체스위칭부로부터 공급되는 전압을 검출하는 전압검출부를 포함하고, 상기 전압검출부에서 검출된 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우 상기 충전셀스위치를 턴온하여 상기 충전셀에 충전된 전압이 상기 서브모듈 제어기로 공급되도록 하는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원절체스위칭부는 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 출력되는 전압과 외부로부터 입력되는 복수의 전압 중 기설정된 우선순위에 따라 하나를 선택하여 상기 서브모듈 제어기로 출력하도록 하는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터 중 하나의 DC-DC 컨버터가 선택되고 상기 선택된 DC-DC 컨버터로부터 전압이 상기 전원절체스위칭부로 출력되는 MMC 컨버터의 서브모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터의 전압을 체크하여 상기 서브모듈 제어기에 필요한 전압에 가장 가까운 전압을 갖는 하나의 DC-DC 컨버터가 선택되고 상기 선택된 DC-DC 컨버터로부터 전압이 상기 전원절체스위칭부로 출력되는 MMC 컨버터의 서브모듈.
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